高速铣削加工

速 铣 （4）为了平稳从容地加工硬化了的材料，径向进给量不 得大于6%～8%的刀具直径，深度进给量最大不超过 削 5%的刀具直径； 加 （5）在半精加工的目的是把前道工序加工后的残留加 工
工面变得平滑，同时去除拐角处的多余材料，在工件加 工表面上留下一层比较均匀的余量，为精加工的高速铣 削做准备。
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高 速 （3）模具特别是淬硬模具的加工。高速切削已经可以 达到很高的表面质量（Ra≤0.4um），省去了电加工 铣 后面的磨削和抛光的工序。高速切削中形成的已加工表 削 面呈压应力状态，还会提高模具工件表面的耐磨性（有 统计说模具寿命因此能提高3～5倍），因此，锻模和 加 铸模仅经铣削就能完成加工已成为可能。 工
仍受到一些限制 .
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数 控 3.2 高速切削的限制 加 工 （1）刀具必须采用 HSK 的刀柄，外加动平衡，刀具的长度 技 不能超过120mm，直径不能超过16mm，且必须采用进口 术 刀具。这样，在进行深的型腔加工时便受到限制。
（2）扭矩极小，通常只有十几个N·m，最高转速时只有 5～6N·m。这样的高速切削，一般只能用来进行石墨、铝 合金、淬火材料的精加工。
高 速 （3）每齿的横向进给量要与径向进给量相当； 铣 削 （4）用刀具的粗糙度值计算步距； 加 工 （5）每齿进给量为常数可达到最好的表面
（2）避免在外形轮廓上进刀和退刀。在轮廓 铣中直接下沉到下一个深度。直接下沉，可 通过螺旋或斜坡式下沉；
加工质量。
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数 控 加 工 技 术
高速铣削的工艺特点：
（2）快换主轴。主轴看作刀具，用极快的速度交换，这样做 可以延长主轴的寿命；
（3）高、低速度的主轴共存。在同一台机床上，高速主轴和 普通主轴同时存在，可以扩大机床的使用范围，以适应不同材 高 料和尺寸工件的加工；
速 铣 （4）改善轴承技术。轴承的润滑、在轴承滚道上用铬钛铝镍 镀层、采用陶瓷球以增加刚度和减少质量等等。磁悬浮轴承的 削 推广应用，使轴承的Dn值达到2，000，000； 加 工 （5）改进刀具和主轴的接触条件；
8）刀具轨迹裁剪修复功能也很重要，可通过精确裁剪减少空刀提高 效率；也可用于零件局部变化编程，仅需编辑修改边际，无需对整个 模型重新编程。
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数 控 3.5 高速切削技术的发展和展望 加 工 （1）在提高机床进给速度的同时保持机床精度。目前铣削轮 技 廓的进给速度是500～600in/min，这个速度还要提高一倍； 术
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半精加工的高速铣削要求：
（1）避免急剧的铣切运动；
高 速 铣 削 加 工
（2）为了避免过切，刀具直接下沉到 下一个切削平面； （3）径向切削量小于6%～8%的刀具 直径； （4）满足均匀切削条件。
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数 控 精加工的高速铣削要求： 加 工 技 （1）避免急剧变化的刀具运动； 术
高 有待于解决的问题：比如高速机床的动态、热态特 速 性；刀具材料、几何角度和耐用度问题，机床与刀 铣 具间的接口技术（刀具的动平衡、扭矩传输）、冷 削 却润滑液的选择、CAD/CAM 的程序后置处理问题、 加 高速切削时刀具轨迹的优化问题等等。主轴转速为 工 10～42000r/min这样的高速切削在实际应用时
高 速 铣 削 加 工
5）应尽量避免全力宽切削；
6）残余量加工或清根加工是提高加工效率的重要手段，一般应采用 多次加工或采用系列刀具从大到小分次加工，直至达到所需尺寸，避 免用小刀一次加工完成；
7）刀具轨迹编辑优化功能非常重要，应避免多余空刀，可通过对刀 具轨迹的摄像、复制、旋转等操作来避免重复计算；
（4）硬的、难切削的材料，如耐热不锈钢等。
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（2）石墨加工。
数 控 3.2 高速切削的限制 加 工 技 作为一种新的技术，高速切削的优点是显而易见的， 术 它给传统的金属切削理论带来了一种革命性的变化。 但目前即使是在金属切削机床水平先进的瑞士、德 国、日本、美国，对高速切削技术的研究也还处在 不断的摸索当中。
（1）很窄的公差带； （2）浅切削； （3）高的切削速度（达到机床极限）； （4）用斜坡和螺旋式进刀； （5）大量采用分层切削； （6）轮廓加工采用小的粗糙度； （7）多用球头刀和圆角立铣刀； （8）切削的切除率尽量保持常数； （9）防止产生切削的二次切断。
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高 速 铣 削 加 工
数 控 加 工 技 术
数 控 加 工 技 术
2. 高速切削的加工特点 ：
刀具直径的1/10，在加工中要求不同时进 行端铣和周铣。
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数 控 3.1高速切削的应用 加 工 技 目前高速切削主要应用于以下几个方面： 术 （1）有色金属，如铝、铝合金，特别是薄壁铝件的加
工。目前已经可以切出厚度为0.1mm、高为几十毫米 的成形曲面。
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数 控 粗加工的高速铣削要求： 加 工 （1）刀具总是以５°倾角，以螺旋或倾斜方式进入工件 技 材料； 术
（2）根据刀具材料、工件材料、机床和ＣＮＣ系统的能 力和条件。使进给率与主轴转速之比值应该达到最佳； （3）即使在减少进给量或刀具停止时也要避免急剧改变 高 切削方向。在严重情况下会造成刀具的立即损坏；
2）高速铣削方法
能够适应于高速切削加工用的高质 量、高性能、高可靠性的加工设备和装 置是高速铣削的物质基础，高速加工成 功与否取决于技术链：机床－主轴－工 夹－刀具－刀片，高的切削速度对切屑 用量、表面加工质量、切削力和刀具寿 命都有很大影响。
高 速 铣 削 加 工
适应高速铣削的CAM系统在数控 编程方法上也带来了本质的改变。

高 速 铣 削 加 工
高速切削对编程人员的要求与编程方式 的改变
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3.4 高速切削要求的加工策略
1）应避免刀具轨迹中走刀方向的突然变化，以避免因局部过切而造 成刀具或设备的损坏； 2）应保持刀具轨迹的平稳，避免突然加速或减速； 3）下刀或行间过渡部分最好采用斜式下刀或螺旋下刀，避免垂直下 刀直接接近工件材料； 4）行切的端点采用圆弧连接，避免直线连接；
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数 控 加 工 技 术
高速切削涉及机床的下列部件特性： （1）高速主轴单元 （2）快速进给和高加（减）速的驱动 系统
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（3）高性能的高速CNC控制系统 （4）高刚性的机床结构 （5）超硬刀具材料、结构和涂层工艺 等。
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高速铣削与常规铣削加工参数比较 ：
（6）更好的动平衡；
（7）高速冷却系统。
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4.高速切削工艺分析
1) 高速铣削的工艺过程与原则 :
高 速 铣 削 加 工
高速铣削要求保持切削载荷平稳， 最大限度地减少速率损失，同时使程 序处理速度最大化。
铣削时没有剧烈的变化，其前提是 要求合理的粗加工和半精加工方案， 上道工序的较为均匀的加工余量，是 高速铣削发挥优势的基础之一。
等适用于对钢铁等黑色金属的高速切削；PCD 和CVD等刀 具则适用于对铝、镁、铜等有色金属的高速切削。
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3.3 高速切削对CAM系统的要求 CAM系统应具有很高的计算编程速度
全程自动防过切处理能力及自动刀柄干 涉检查 进给率优化处理功能
符合高速切削要求的丰富的加工策略
高 速 （3）应尽可能提高进给量，以保证机床既能进行粗加工， 又能进行精加工，既省时效率又高。 铣 削 （4）针对传统的加工方式和不同的被切削材料，应选择合 适的刀具材料来实现高速加工，而不能一味地追求高速， 加 为高速而高速。高速切削的刀具材料必须根据工件材料和 工 加工性质来选择。一般而言，陶瓷、金属陶瓷及PCBN刀具
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加工特点之一就是高速 。有75%的热量被 刀屑迅速带走； 5%的热量由工件吸收， 工件温度低，对解决切削变形、热稳定性 很有好处 ；使用风冷即可以达到满意的冷 却效果。 高
速 铣 另一个特点是小切削用量 。主轴转速可达 10000～100000r/min，进给可达20～ 削 加 40m/min，进给加速度可达2g～10g。高速 工 铣削的切宽约为刀具直径的1/3，切深约为
数 控 加 工 技 术
数控加工技术
高速切削加工
关耀奇
湖南工程学院机械工程系
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数 控 加 工 技 术
内容提要：
本节主要介绍数控高速切削加工的特 点、工艺性分析（工艺原则、高速切削方 法、刀具的选用）。
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高 速 铣 削 加 工
数 控 加 工 技 术
高速切削简介
高速切削的概念早在1931年就由德国所罗门博 士提出 ；高速切削（High Speed Cutting-HSC） 是二十世纪九十年代迅速走向实际应用的先进加 工技术 。 高速铣削可用于铝合金、铜等易切削家属和淬 火钢、钛合金、高温合金等难加工材料以及碳纤 维塑料等非金属材料。 在模具加工中，高速铣削可加工淬火硬度大于 HRC50的钢件，因此许多情况下可省去电火花加 工和手工修磨，在热处理后采用高速铣削达到零 件尺寸、形状和表面粗糙度要求。
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数 控 5.2高速铣削刀具的选用 加 工 高速铣削刀具必须具备可靠的安全性和 技 术 高的耐用度。高速切削刀具的安全性必须考
高 速 铣 削 高速铣削刀具材料主要有硬质合金、涂 加 层刀具、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼 工
虑刀具强度、刀具夹持、刀片压紧和刀具动 平衡。高速切削刀具的耐用度与刀具材料、 刀尖结构、切削用量、走刀方式、冷却条件、 刀具工件材料匹配等因素有关。
比较项目 加工类型 刀具 常规铣削 粗加工 1 in 球头立铣刀 高速铣削
切削深度（in）
0.5 1300
8 0.4
0.1 6000
120 7.2
高 速 铣 削 加 工
主轴转速（r/min）
进给率（in/min） 金属切除率（in3）
高速铣削与常规铣削加工相比较，高速铣削 单位功率金属切除率提高了30%～40%；切削 力降低了30%；刀具的寿命提高了70%；工件 的切削热大幅度降低；切削振动几乎消失。
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数 控 加 工 技 术
高 速 铣 削 加 工
对于一个高速加工任务，要把粗加工、半 精加工、精加工作为一个整体过程来考虑， 设计出一个包括选用刀具和设置切削参数在 内的合理的加工方案，从总体上达到加工的 高质量和生产的高效率，充分发挥高速铣削 的优势，就是高速铣削工艺设计的原则。高 速铣削不仅仅是高的切削速度，应该把它看 作一个过程，它的各个工序的完成，需要有 非常特定的方法和依靠高精度的生产设备。 高速铣削是一种高生产率的加工，对小尺 寸的工件，适合从粗加工到精加工，对其他 尺寸的工件，适合精加工和超精加工。
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高 速 铣 削 加 工
数 控 加 工 技 术
1.高速切削概述
高速加工是近年来迅速发展的一项先进 制造技术，它极大促进了加工效率和产品 品质的提高。高速加工不仅对数控系统和 机床结构、刀具提出了新的要求。
高 速 铣 削 加 工
当以适当高的切削速度（约为常规速度 的5～10倍）加工时，切削刃上的温度会降 低，因此有可能通过高速切削提高加工生 产率。六十多年来，人们一直在探索有效、 适用、可靠的高速切削技术，到二十世纪 九十年代逐渐在工业实际中推广应用。
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高速铣削中CAM的特点：
高速铣削的顺利进行，对CAM系统 提出了更高的要求，大多数工艺问题也 都是通过CAM系统来得到体现的。具 体体现如下： （1）进退刀控制 （2）移刀方法 （3）刀路轨迹的拐角处理
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数 控 5.1高速铣削刀柄的选用 加 工 技 由于在高速切削时，切削力已经不是重要因素，不 术 需大的切削扭矩，因此刀柄就不再是传统的锥柄， 而是短圆柄，即HSK型柄，不需拉钉，主轴锁紧装 置充分考虑离心力的影响。重要的是需要动平衡， 即需加上动平衡环，在装好刀具后，由动平衡仪进 行平衡。刀具本身采用整体硬质合金刀，或在硬质 高 合金上涂CBN、TiC等，也可采用人造金刚石，即 速 PCD等，使刀具可以承受高达300～500m/min的切 铣 削线速度。德国标准DIN 69893规定了高速切削用 削 刀具主柄HSK的结构和尺寸，这一标准也已作为国 加 际标准的草案。我国已开始引进使用此刀柄的机床、 工 刀具及其其它配套产品。